步进电机的原理与应用设计

仅供个人参考 步进电机

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。

步进电机是一种能够将电子脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步进电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。

使用多相步进电动机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转为多相脉冲信号，在经过功率放大后分别送入步进电机各项绕组。每输入一个脉冲信号，电动机电动机各项的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度，也就是步距角 。

正常情况下步进电机转过的总角度和输入的脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电机能直接接受数字量的输入，所以特别适合微机控制。

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步进电机的一些特点：

1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 2．步进电机外表允许的最高温度。

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

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当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

步进电动机有如下特点：

1）步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此，当它转一圈后，没有累计误差，具有良好的跟随性。

2）由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单、廉价，又非常可靠，同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。

3）步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。

4）速度可在相当宽的范围内平稳调整，低速下仍能获得较大转距，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。

5）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，不能直接使用交流电源和直流电源。

6）步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应措施。

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国内控制器的研究起步较晚，运动控制技术为一门多学科交叉的技术，是一个以自动控制理论和现代控制理论为基础，包括许多不同学科的技术领域。如电机技术、电力电子技术、微电子技术、传感器技术、控制理论和微计算机技术等，运动控制技术是这些技术的有机结合体。总体上来说，国内研究取得很大的进步，但无论从控制器还是从控制软件上来看，与国外相比还是具有一定差距。

在国内，步进电机驱动器是从五十年代开始发展，实际上进入七十年代后才开始有较大进展至今己有较好的基础和一定的规模。七十年代，我国曾经花费了很大的力量来发展采用步进电动机系统的数控机床。众所周知，那次的发展很不成功，主要是控制系统的不可靠、不稳定所造成的。其中，步进电动机的驱动器性能较差、价格昂贵、可靠性低是一个重要的原因。八十年代末开始在我国发展的经济型机床控制系统，它是一种用单板计算机和步进电机开环系统构成的简易型控制装置。由于采用了单板机控制，使得控制部件的稳定性、可靠性大为提高，成本下降。而步进电机及其驱动器仍基本上停留在较低的水平，成为这种系统发展的主要障碍。电动机的理论、设计和制造技术相对较强，驱动器的发展则是一个薄弱的环节，一方面在我国步进电机的驱动器多采用传统线路结构，性能落后;另一方面还表现在缺乏驱动器专业生产。目前我国许多厂家已研制生产出步进电机的驱动器，其技术设计基本上是引进国外的专用芯片，且其性能还存在许多不足 (如节能、稳定性等)，与国外产品相比还有一定距离.

而对于控制器的研究国内起步较晚，运动控制技术为一门多学科交叉的技术，是一个以自动控制理论和现代控制理论为基础，包括许多不同学科的技术领域。如电机技术、电力电子技术、微电子技术、传感器技术、控制理论和微计算机技术等，运动控制技术是这些技术的有机结合体。

对于步进电机控制系统，运动控制器就像是它的中枢神经系统，指挥着它的每个动作。控制器接收相应指令，并根据指令向各进给电机发出控制信号，各个电机的驱动器则将控制信号转变成直接驱动电机的电信号。开放式运动控制己成为运动控制的发展方向，因此对控制器也有更高的要求。

目前控制系统在实际应用中多采用如下方案之一构成:

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(1)基于PC和微处理器.由单片机等微处理器为核心部件，加上存储器、编码器信号处理电路以及D/A转换电路等组成控制器，其控制算法的程序固化在存储器中。而上位机基于 PC的控制系统，由于联动插补算法较复杂，有大量浮点运算，对实时性要求又较高，选用PC来完成粗插补运算和数值运算。同时可利用丰富的PC软件来改善控制系统的图形显示、动态仿真、编程和诊断功能。

(2)基于微控制器设计的专用集成电路，如美国国家半导体公司生产的LM628,惠普公司的HCPLl100等。用一个芯片即完成速度曲线规划、PID伺服控制算法、编码器信号的处理等多种功能。一些需要用户经常更改的参数如电机位置、速度、加速度、PID参数等均在芯片内部的RAM内，可由计算机用指令很方便的修改。但由于受到运算速度的限制，复杂的控制算法和功能很难实现。

(3)基于PC总线的开放式系统控制器和可编程数字逻辑器件。可编程器件具有:高性能、高集成度、高灵活性、简化电路等优点。而现在的奔腾、奔腾II、奔腾III微处理器计算速度和运算能力很强大，以其为基础的控制器已经能同专用的控制器相媲美。但这个方案采用元器件较多，可靠性低，体积比较大，软件设计工作量较大。而系统中各个坐标轴电机还需具备位置控制功能，位置控制实时性很强，当控制轴数较多时，任务与插补共用一个 CPU会导致系统主机负担太重，实时性不易保证，而且故障风险过于集中。

(4)基于数字信号处理器(DSP)型.20世纪90年代以来，随着计算机技术和电子技术的发展，将运算高速、功能强大的数字信号处理器应用于控制器。许多公司研制了以DSP为微处理器的控制器，这些控制器一般以IPC或兼容机为硬件平台，以DOS或WINDOWS为软件平台，采用开放式开发手段，使用很方便。美国 Delta TauPMAC一PC 以Data System公司推出的PMAC系列伺服控制器比较有代表性。Motorola公司的DSP56001为微处理器，主频20/30MHz, 60/40微秒/轴的伺服更新率，36位位置范围，16位DAC输出分辨率，10/15MHz编码计数率，每秒可处理多达500条程序，可以完成直线或圆弧插补，\曲线”加速和减速，三次轨迹计算、样条计算。利用DSP强大的运算功能实现1-8轴的多轴实时控制。

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现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。本次驱动方案所选用的步进电机是永磁式步进电机。

步进电机主要的技术指标有：

1)步距角 指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值。目前国产商品化步进电机常用步距角为：0.36、0.6、0.72、0.75、0.9、1.2、1.5、1.8、2.25、3.6、4.5度等。

2)齿距角 相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。

3)失调角 失调角是指转子偏离零位的角度。

4)精度 步进电机的精度有两种表示方法，一种用步距误差最大值来表示，另一种用步距累计误差最大值来表示。最大步距误差是指电动机旋转一周内相邻两步之间的最大步距角和理想步距角的差值，用理想步距的百分数表示。最大累计误差是指任意位置开始经过任意步之间，角位移误差的最大值。

5)转矩 步进电机转矩是一个重要的指标。它又包括定位转矩、静转矩、动转矩。定位转矩是指在绕组不通电时电磁转矩的最大值。通常反应式步进电机的定位转矩为零，混合式步进电机有一定的定位转矩。静转矩是指不改变绕组通电状态，即转子不转时的电磁转矩。它是绕组电流及失调角的函数。对应某一失调角时静转矩最大，称为最大静转矩。动转矩是指转子转动情况下的最大输出转矩值，它与运行频率有关。在一定频率下，最大静转矩越大，动转矩也越大。

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